目錄

一、傳感器概述

二、傳感器原理

1、電阻式傳感器

2、電容式傳感器

3、電感式傳感器

4、壓電式傳感器

5、磁敏傳感器

6、光電式傳感器

7、熱電偶與熱電阻

三、傳感器數(shù)據(jù)處理

1、溫度補(bǔ)償

2、非線性補(bǔ)償

3、標(biāo)度變換

一、傳感器概述

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)信息來源于終端設(shè)備，而終端設(shè)備數(shù)據(jù)來源可歸根于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如人類依靠視覺、聽覺、嗅覺、觸覺感知周圍環(huán)境，同樣物體通過各種傳感器也能感知周圍環(huán)境。且比人類感知更準(zhǔn)確、感知范圍更廣。例如人類無法通過觸覺準(zhǔn)確感知某物體具體溫度值，也無法感知上千高溫，也不能辨別細(xì)微的溫度變化。

傳感器定義為將物理、化學(xué)、生物等信息變化按照某些規(guī)律轉(zhuǎn)換成電參量(電壓、電流、頻率、相位、電阻、電容、電感等)變化的一種器件或裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路組成。敏感元件是直接感知被測量的元件，將被測量變化轉(zhuǎn)換成該敏感材料特性參數(shù)的變化。某些敏感元件為無源器件，無法直接輸出電壓或電流，所以需要通過轉(zhuǎn)換元件特性參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流�；�本電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、整形及編碼輸出。

傳感器種類繁多，按照被測量類型可分為溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。按照傳感器工作原理可分為物理性傳感器(基于力、熱、聲、光、電、磁等效應(yīng))、化學(xué)性傳感器（基于化學(xué)反應(yīng)原理）和生物性傳感器（基于霉、抗體、激素等分子識(shí)別）。以下將簡述基于物理性的常見傳感器工作原理。

二、傳感器原理

1、電阻式傳感器

電阻式傳感器基本原理是敏感元件電導(dǎo)率隨外界環(huán)境變化而變化的傳感器，大致可分為電位計(jì)式傳感器與應(yīng)變式傳感器。

電位計(jì)式傳感器

將機(jī)械的線位移或角位移轉(zhuǎn)變成電阻或電壓輸出。通過位移變化改變電阻器結(jié)構(gòu)參數(shù)（一般是長度變化）從而使得電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。

應(yīng)用舉例：汽車中座椅位置檢測(旋轉(zhuǎn)或平移觸點(diǎn)位置使有效電阻發(fā)生變化)。

應(yīng)變式傳感器

金屬應(yīng)變效應(yīng)

將一根固定長度的金屬導(dǎo)線使用外力拉伸時(shí)，其導(dǎo)線長度會(huì)增加，橫切面積減小（假定各部分變化均勻且溫度恒定）則根據(jù)電阻的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義可得電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化（應(yīng)變效應(yīng)）。

利用該效應(yīng)將機(jī)械形變(dl/l橫向應(yīng)變、dr/r縱向應(yīng)變)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓�的傳感器可檢測位移、壓力、加速度、扭矩等物理量，并且能在高溫、強(qiáng)磁等惡劣環(huán)境下工作。一般在實(shí)際應(yīng)用中采用多個(gè)應(yīng)變片（緊貼被測物體)組成電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

半導(dǎo)體應(yīng)變效應(yīng)

半導(dǎo)體在受外力作用時(shí)，幾何尺寸在微小的形變下，電阻值也能有較大變化（壓阻效應(yīng)）。利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)可用來測量水位情況。

2、電容式傳感器

電容式傳感器是將被測量變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器，通過電路轉(zhuǎn)換將電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率等信號(hào)輸出。

3、電感式傳感器

電感式傳感器利用自感或互感系數(shù)的變化來檢測非電量的變化。通過基本電路將自感或互感系數(shù)的變化轉(zhuǎn)變成電壓或頻率信號(hào)輸出。電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。

自感式

線圈中磁通量與線圈電流的比值為一個(gè)恒定值，即為自感系數(shù)，他與線圈匝數(shù)、磁芯材料等有關(guān)。通過改變磁芯材料或磁芯材料位置即可改變自感系數(shù)，然后通過轉(zhuǎn)換電路將自感系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。

互感式

互感式傳感器工作原理類似于變壓器（電-磁-電轉(zhuǎn)換），兩組線圈中的磁芯位置的變化將引起兩組線圈耦合強(qiáng)度的變化，即互感系數(shù)的變化。

渦流式

將金屬塊放置與變化的磁場中或在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在金屬塊中行成閉合電流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。產(chǎn)生的電流稱為渦流。渦流式傳感器基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)線圈，給線圈通高頻電流時(shí)，當(dāng)有金屬塊靠近線圈時(shí)，會(huì)在金屬塊中產(chǎn)生渦流（渦流的大小與導(dǎo)體磁導(dǎo)率、電阻率、勵(lì)磁電流角頻率、導(dǎo)體位置等有關(guān)），同時(shí)渦流產(chǎn)生的磁場會(huì)阻礙線圈磁場的變化，即線圈等效電感或等效阻抗會(huì)發(fā)生變化。通過檢測參數(shù)的變化即可測量出金屬塊位移、厚度、材料類別等信息。

4、壓電式傳感器

在某些晶體材料上施加外力而發(fā)生形變時(shí)，會(huì)在晶體相應(yīng)表面上分布等量異種電荷這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，相反在晶體極化方向上施加電場時(shí)，會(huì)使晶體發(fā)生形變稱為逆壓電效應(yīng)。利用晶體這一特性可制作壓力傳感器、超聲波傳感器等。

5、磁敏傳感器

磁敏傳感器是利用磁電轉(zhuǎn)化原理，將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，主要用來檢測磁場。典型的磁敏傳感器為利用霍爾效應(yīng)制成的霍爾式傳感器。

通有電流的金屬片放置與磁場中時(shí)，在垂直于磁場與電流的方向?qū)�產(chǎn)生電動(dòng)勢，電動(dòng)勢大小正比于磁場與電流的乘積。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)原因是電子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到磁場力（洛倫茲力）的作用，即電子向金屬表面運(yùn)動(dòng)，結(jié)果金屬片將在表面分布等量異種電荷。

6、光電式傳感器

光電式傳感器是利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。

外光電效應(yīng)

在光照情況下，電子獲得能量溢出物體表面的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電二極管、光電倍增管等。

內(nèi)光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照情況下，電子獲得能量后從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻。

光伏效應(yīng)：光照射半導(dǎo)體PN結(jié)時(shí)，在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，形成持續(xù)電場。光電池就是利用這一原理。

7、熱電偶與熱電阻

熱電偶與熱電阻常用來檢測溫度，熱電偶基于熱電效應(yīng)，熱電阻是利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化原理實(shí)現(xiàn)檢測溫度。

熱電偶

將兩種不同導(dǎo)體兩端連接在一起組成閉合回路，并將兩端置于不同的溫度環(huán)境中，在閉合回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢并形成電流。

電動(dòng)勢由溫差電勢與接觸電勢兩部分組成。溫差電動(dòng)勢的產(chǎn)生是由于溫度不同，高溫端的電子能量比低溫端電子能量大，因而高溫端電子跑到低溫端電子數(shù)目要比低溫端電子跑到高溫端電子數(shù)目多，結(jié)果高溫端失去電子而帶正電，低溫端得到多余電子而得負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢。接觸電勢原因?yàn)椴煌�材料在接觸端由于自由電子密度不同，高密度電子向低密度電子擴(kuò)散形，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后形成接觸電動(dòng)勢。

將熱電偶一端置于恒溫環(huán)境，另一端置于被檢測環(huán)境中，通過測量回路中電流大小即可檢測環(huán)境溫度。

熱電阻

熱電阻利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻率隨溫度變化而變化的原理來感知溫度。一般選取具有正溫度系數(shù)的材料。

三、傳感器數(shù)據(jù)處理

1、溫度補(bǔ)償

傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，溫度的變化會(huì)引起傳感器特性參數(shù)變化，從而會(huì)改變傳感器靜動(dòng)態(tài)特性（大多數(shù)電子元器件材料為半導(dǎo)體，半導(dǎo)體導(dǎo)電性能溫度起決定作用），所以溫度是影響傳感器精度的重要因素之一。

溫度補(bǔ)償方法

假設(shè)被測量為x，傳感器輸出為y，環(huán)境溫度為T，零點(diǎn)輸出為Y0，傳感器靈敏度為K，則線性傳感器特性可表示為：

y=Y

0

(T)+K(T)x

式中可以看出，傳感器零點(diǎn)與靈敏度均受溫度影響。則傳感器溫度靈敏度可表示為：

溫度補(bǔ)償實(shí)質(zhì)就是令ST=0即可。該式包括了對(duì)零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償和靈敏度的補(bǔ)償。實(shí)際應(yīng)用中可采用傳感器本身的特性滿足溫度補(bǔ)償，例如，利用具有正負(fù)溫度系數(shù)特性的電阻，使電阻隨溫度變化的增量相等，從而抵消溫度對(duì)輸出影響，或者利用電路結(jié)構(gòu)上特性，使溫度干擾信號(hào)轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)輸入，然后做差分運(yùn)算互相抵消。

2、非線性補(bǔ)償

傳感器輸入輸出非線性主要體現(xiàn)在兩方面，敏感元件在轉(zhuǎn)換原理上非線性，例如熱電偶熱端溫度與熱電動(dòng)勢是非線性的關(guān)系，采用測量電路非線性，列如電橋測量電路，橋臂元件參數(shù)的變化使電橋失去平衡，導(dǎo)致輸入輸出關(guān)系非線性。

非線性補(bǔ)償方法有硬件法、和軟件法，前者是增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，利用某些元器件非線性特性，組成各種、指數(shù)、對(duì)數(shù)、開方等運(yùn)算。以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸入輸出非線性補(bǔ)償。軟件法補(bǔ)償相比于硬件來說更簡單，無需增加非線性環(huán)節(jié)，降低硬件復(fù)雜度。軟件補(bǔ)償主要有兩種方法：

查表法：有些傳感器輸入和輸出高度非線性，輸入和輸出的關(guān)系很復(fù)雜，可能涉及到指數(shù)、對(duì)數(shù)、微積分等復(fù)雜運(yùn)算，由于受處理器限制，無法快速完成這些運(yùn)算，或者輸入和輸出根本無法建立數(shù)學(xué)模型，為解決這類問題，可采用查表法。查表法就是將具體輸入與輸出記錄下來并建立一張關(guān)系表，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過查表來輸出。

計(jì)算法：當(dāng)傳感器輸出與輸入的關(guān)系有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式時(shí)，可以在程序中編制一段實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式的程序，被測量經(jīng)過檢測、AD采樣、標(biāo)度變化后進(jìn)入計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算，計(jì)算后的值就是線性化處理后的輸出。建立數(shù)學(xué)模型可采用數(shù)據(jù)擬合的方式實(shí)現(xiàn)，首先采集輸入輸出數(shù)據(jù)序列，然后通過線性插值或多項(xiàng)式插值方式找出數(shù)據(jù)模型。

線性插值

假設(shè)輸入輸出特性為非線性關(guān)系，關(guān)系為y=f（x），當(dāng)x=xi時(shí)，y=yi，x=xk時(shí)，y=yk，則當(dāng)xn=xi+△x（xi<xn<xk）時(shí)，yn可表示為：

多項(xiàng)式插值

多項(xiàng)式插值方式是設(shè)法用一個(gè)多項(xiàng)式p(x)去逼近傳感器實(shí)際特性y=f(x),使得p（xn） =f（xn）。如圖示，用p(x)近似替代傳感器實(shí)際特性f(x)

3、標(biāo)度變換

數(shù)字傳感器采集的數(shù)據(jù)并不定于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅僅對(duì)應(yīng)于被測參數(shù)的大小，必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能顯示應(yīng)用，這種變換稱為標(biāo)度變換。

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